【文章內容簡介】 的程序，該程序的基本思想是，在啟動時，以低于響應頻率 fs 的速度運行；然后開始慢慢加速，加速到一定頻率 fe 后就以此速率恒速運行。當快要到達終點時，又使其慢慢減速，在低于響應頻率 fs 的速率下運行， 直到走完所規(guī)定的步數后就停止運行。這樣步進電機便可以以最快的速度走完所規(guī)定的步數，而又不發(fā)生失步的現象。因此在點位控制過程中，運行速度需要有一個加速 — 恒速 — 減速 — 低恒速 — 停止的過程，上述的變速控制過程如圖 所示。 圖 點 — 位控制的加減速過程 對于一個非常短的距離，如在數步范圍內，電動機的加減速過程沒有實際意義，只需要按起動頻率運行即可。對于中等或比較長的運行距離，步進電機加速后應該有一個恒速的過程。系統在工作過程中，都要求加減速的時間盡量短，而恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應的工作中，從起點 到終點的時間要求最短，這就必須要求加減速的過程最短而恒速時速度最高。 加速時的起始速度應該等于或略小于系統的極限起動頻率，而不是從零開始。減速過程結束時的速度一般等于或略低于起動速度，再經數步低速運行后停止。 升速的規(guī)律一般有兩種，一是按直線規(guī)律升速，二是按指數規(guī)律升速。按直線xx 石油大學畢業(yè)論文 6 規(guī)律升速時加速度為恒定，因此要求步進電機產生的轉矩為恒值。但實際上步進電機升速時由于反電動勢和繞組電感的作用，繞組電流將逐漸減小，因此輸出的轉矩會有所下降，按指數規(guī)律升速時，加速度是逐漸下降的，接近步進電機輸出轉矩隨轉速變化的規(guī)律。 由于步進電機的速度正比于脈沖頻率，控制步進電機的速度實際上就是控制脈沖頻率。用單片機對步進電機進行加減速控制，即控制 CP 脈沖的時間間隔。升速時使脈沖逐漸加密，減速時使脈沖逐漸變疏。本系統采用定時器中斷來控制步進電機的加減速，實際上是不斷改變定時器的定時初值的大小。在運行的過程中用查表的方式查出所需的定時初值，從而減小占用 CPU 的時間，提高系統的響應速度。 步進電機的加減速控制技術是步進電機控制中的一項關鍵技術，它直接影響步進電機運行的平穩(wěn)性、升降速的快慢、定位精度等性能，從而決定了步進電機控制系統的綜合性能 。采用步進電機的加減速控制可以有效地克服步進電機啟動過程中出現失步的問題，提高系統的響應速度和精度。 改變控制方式的變速控制 最簡單的變速控制可以利用改變步進電機的控制方式實現。例如，在三相步進電機中，啟動或停止時，用三相六拍，大約在 秒后，改用三相三拍的的分配方式，在快到達終點時，再次采用三相六拍的控制方式，以達到減速的目的。 均勻地改變脈 沖時間間隔的變速控制 步進電機的加減速控制，可以均勻地改變脈沖時間間隔來實現。例如在加速控制中，可以均勻地減少延時時間間隔；在減速時，可以均勻地增加延時時間間隔。具體地說，就是均勻地增加或減少延時程序中延時時間常數。 這種控制方法的優(yōu)點是，由于延時的長短不受限制，使步進電機的頻率變化范圍比較寬，但它降低了單片機的實時處理能力。 采用定時器的變速控制 在單片機控制系統中，可以采用單片機內部的定時器來提供 CP 脈沖。其方法是將定時器初始化后，每隔一定的時間向 CPU 申請一次中斷， CPU 響應中斷后便發(fā)出一個脈沖。 此時只要均勻地改變定時器時間常數，即可達到均勻加減速的目的【 9】 。 這種方法的優(yōu)點是減少占用 CPU 的時間，提高控制系統的效率和實時處理能力。為了提高單片機的實時處理能力，系統采用中斷的方法進行調速。 基于單片機的步進電機的控制及系統設計 7 3 控制系統硬件設計 硬件結構圖 該系統的設計以 89C52 單片機為核心，以鍵盤輸入為為人機交換接口，以實現系統不同功能的選擇輸入，由于單片機輸出信號無法驅動步進電機，通過設計步進電機驅動電路以實現對步進電機的間接控制。與此同時， 單片機還需一定的外圍輔助電路如復位、時鐘電路等，整個系統的結構圖如下 : 8 9 C 5 2單 片 機復 位 電 路鍵 盤 控 制電 路步 進 電 機驅 動 電 路步 進 電 機電 源 及 時鐘 電 路 圖 硬件結構圖 單片機最小系統作為整個系統的控制核心，它主要負責產生控制步進電機轉動的脈沖，通過單片機的軟件編程代替環(huán)形脈沖分配器輸出控制步進電機的脈沖信號，步進電機轉動的角度大小與單片機輸出的脈沖數成正比步進電機轉動的速度與輸出的脈沖頻率成正比，而步進電機轉動的的方向與輸出的脈沖順序有關。同時單片機系統還負責處理來自電機驅動電流檢測模塊檢測到的電流值。電機驅動模塊負責將單片機發(fā)給步進電機的信號功率放大，從而驅動電機工作。獨立按鍵作為一個外 部中斷源，和單片機端口連接，通過它設置了電機的正轉，反轉，加速，減速，步數控制等功能。 各個模塊分析 本次電源電路使用的是三相集成穩(wěn)壓器，主要由集成電路、基準電壓電路、取樣比較放大電路、調整電路、和保護電路等部分組成。 xx 石油大學畢業(yè)論文 8 7805 電路圖如 下圖所 示，這是一個輸出正 5V 直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。 IC 采用集成穩(wěn)壓器 7805， C C2 分別為輸入端和輸出端濾波電容。當輸出電流較大時， 7805應配上散熱板 。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。 圖 7805 電源電路 AT89C52 中有一個用于構成內部振蕩器的高增益反相放大器，其中引腳XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成振蕩器。如下圖所示： 外接石英晶體（或陶瓷諧振器） 及電容 C C2 接在放大器的反饋回路中構成并聯振蕩電路，對外接電容 C C2 雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及濕度穩(wěn)定性 ,使用石英晶體和陶瓷諧振器要注意選擇的大小。 振蕩器特性 : XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件， XTAL2 應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低 電平 圖 晶振電路 基于單片機的步進電機的控制及系統設計 9 復位電路 單片機在啟動時都需要復位，以使 CPU 及系統各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。 89 系列單片機的復位信號是從 RST 引腳端輸入到芯片內的施密特觸發(fā)器中。當系統處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果 RST 引腳上有一個高電平并維持 2 個機器周期以上，則 CPU 就可以響應并將系統復位。如果 RST持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)。根據應用的要求，復位操作通常有兩種基本形式：上電復位和上電或開關復位。上電復位要求接通電源后，自動實現復位操作。 圖 復位電路 獨立方式是指將每個按鍵按一對一的方式直接接到 I/O 輸入線上，讀鍵值時直接按 I/O 的狀態(tài)來反映，這種方式查鍵實現簡單，但占用 I/O 資源較多，一般在按鍵量較少的情況下采用。 矩陣方式是用 n 條 I/O 線組成行輸入口， m 條 I/O 線組成列輸入口，在行列線的每一個交點上設置一個按鍵，讀鍵值方法一般采用掃描方式，即輸出口按位輪換輸出低電平，再從輸入口讀入鍵信息，最后獲得鍵碼。最后由于本次設計在按鍵上只用到 6 個，所以就用獨立方式就足以滿足設計需求。 xx 石油大學畢業(yè)論文 10 圖 鍵盤控制電路 AT89C52 單片機 隨著大規(guī)模集成電路技術的飛速發(fā)展，近十年來單片微型計算機有了飛速的發(fā)展。在 MCS51 系列單片機系列內核 8051/80C51 的基礎上， Intel 公司、 Philips 公司、 Siemens 公司等很多大公司紛紛推出了名目繁多的派生芯片。而 ATMEL 公司的 AT89C52 系列單片機是當今具有較高性能的單片微型 計算機系列產品之一，特別適用于要求實時處理、實時控制的各類自動控制系統，如工業(yè)過程控制系統、伺服系統、分布式控制系統、變頻調速電機控制系統等。 其主要特點有： （ 1） CPU 內核完全和 MCS51 系列兼容，具有 MCS51 系列單片機的一切功能。 （ 2） 內部集成了 4K 字節(jié)的在線可編程 FlashROM，可滿足大部分系統擴展的需求，編程方更快捷。 （ 4） 可在 0～ 24MHz的晶振頻率范圍內可靠工作，加快了系統的工作速度，可用在某些高速實時處理控制系統中。 （ 5） 內部具有 256 個字節(jié)的 RAM 和 3 個 16 位定時器， 可以存放系統運行中基于單片機的步進電機的控制及系統設計 11 的數據和滿足定時或計數功能擴展的需要。 （ 6） 具有 6 個中斷源，完全可以滿足一般設計的中斷系統擴展需要。 因此， AT89C52 系列單片機以其優(yōu)越的性能在控制系統設計中得到了廣泛的應用，由于其內部功能完善，可以大大減少擴展系統外圍電路，而且性能穩(wěn)定，因此在本控制系統的設計中，選用了 AT89C52 單片機作為中央控制單元。 AT89C52 是美國 ATMEL 公司生產的低功耗，高性能 CMOS8 位單片機，片內含4kbytes 的可系統編程的 Flash 只讀程序存儲器 ,器件采 用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準 8051 指令系統及引腳。它集 Flash 程序存儲器既可在線編程（ ISP）也可用傳統方法進行編程及通用 8位微處理器于單片芯片中，功能強大。 其中 引腳功能說明 如下： 圖 AT89C52 管腳圖 其中單片機控制步進電機原理如下： AT89C52 單片機 I/O 借口發(fā)送的脈沖信號，經過 ULN2020 芯片放大后，驅動步進電機 本次畢業(yè)設計選用的步進電機是四相步進電機，通過軟件和硬件的結合實現步進電機的啟停、正轉、反轉、加速、減速功能，主要通過三大塊來 設計，包括驅動電路的設計、狀態(tài)顯示部分和按鍵部分的設計?？梢酝ㄟ^控制脈沖頻率來控制電機xx 石油大學畢業(yè)論文 12 轉動的速度，從而達到調速的目的。 單片機控制步進電機原理圖如圖 所示： 單片機步 進 電機信 號 放 大發(fā) 送 脈 沖U L N 2 0 0 3 驅 動 器 圖 單片機控制步進電機原理圖 AT89C52 單片機通過 、 、 、 控制步進電機通電相序，通電必須按順序進行通電，通過改變通電相序就可以控制步進電機的正反轉。 其中電機正反轉和加減速的 通電相序如表 所示： 表 步進電機四相四拍相序表